JP2005350754A

JP2005350754A - 耐硫化物応力割れ性に優れた低合金油井管用鋼

Info

Publication number: JP2005350754A
Application number: JP2004175242A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Omura; 朋彦大村; Kenji Kobayashi; 憲司小林
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-06-14
Also published as: CN1969053A; CA2569907C; BRPI0512032A; US8168010B2; EA200700026A1; MXPA06014367A; CN100554474C; AU2005258696B2; UA81878C2; EA011681B1; BRPI0512032B1; NO340360B1; EP1785501B1; EP1785501A4; US20070137736A1; NO20070033L; WO2006003775A1; JP4140556B2; EP1785501A1; ES2654940T3

Abstract

【課題】
油井やガス井用のケーシングやチュービングに好適な、耐硫化物応力割れ性に優れた低合金油井管用鋼を提供する。
【解決手段】
質量％で、Ｃ：０．２〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．００５〜０．１０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．５〜１．０％、Ｔｉ：０．００２〜０．０５％、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ（酸素）：０．０１％以下を含有し、半価幅Ｈと水素拡散係数Ｄ（１０^−６ｃｍ^２／ｓ）が下記の式(1)を満足することを特徴とする、耐硫化物応力割れ性に優れた低合金油井管用鋼。
３０Ｈ＋Ｄ≦１９．５・・・・・・・・・・・式(1)
【選択図】なし

Description

本発明は、油井やガス井用のケーシングやチュービングに好適な、耐硫化物応力割れ性に優れた低合金油井管用鋼に関する。

油田やガス田の深井戸化に伴い、油井やガス井に用いられる油井管には高強度化が要求されている。すなわち、油井管として従来広く用いられてきた８０ｋｓｉ級（降伏応力（ＹＳ）が５５１〜６５４ＭＰａ）や９５ｋｓｉ級(ＹＳが６５４〜７５８ＭＰａ)に代わって、最近では１１０ｋｓｉ級（ＹＳが７５８〜８６１ＭＰａ）の油井管が使用されることが多い。

一方、近年開発される深井戸の環境は、腐食性を有する硫化水素を含む場合が多い。このような環境では高強度鋼は硫化物応力割れ(Sulfide Stress Cracking：以下、「ＳＳＣ」という。)と呼ばれる水素脆化を起こして油井管が破壊に至ることがある。したがって、ＳＳＣの克服が高強度油井管の最大の課題である。

９５〜１１０ｋｓｉ級の油井管の耐ＳＳＣ性を改善する方法としては、鋼を高清浄化する、あるいは組織を細粒化する等の手法が、従来から広く用いられている。例えば、特許文献１には、Ｍｎ、Ｐ等の不純物元素を低減することによる耐ＳＳＣ性の改善方法が提案されている。また、特許文献２には、２回焼入れ熱処理により結晶粒を微細化させ、耐ＳＳＣ性を改善する方法が記載されている。

さらに近年では、１２５ｋｓｉ級（ＹＳが８６１〜９６５ＭＰａ）といった、今まで適用されていなかった高強度の油井管が検討され始めている。ＳＳＣは高強度鋼となるほど起こりやすくなるので、従来の９５ｋｓｉ級（ＹＳが６５４〜７５８ＭＰａ）や１１０ｋｓｉ級（ＹＳが７５８〜８６１ＭＰａ）の油井管よりも、より一層の材質改善が要求される。特許文献３には、誘導加熱熱処理により組織を微細化させた耐ＳＳＣ性に優れた１２５ｋｓｉ級の鋼材を得る方法が提案されている。特許文献４には、直接焼入れ法を用いて、焼入れ性や焼戻し温度を高めることにより、耐ＳＳＣ性に優れた１１０〜１２５ｋｓｉ級および１４０ｋｓｉ級（ＹＳが９６５〜１０６８ＭＰａ）の鋼管の製造方法について提案されている。特許文献５には、合金成分の最適化により１１０〜１４０ｋｓｉ級の耐ＳＳＣ性に優れた低合金鋼を得る技術が提案されている。特許文献６、特許文献７及び特許文献８には、炭化物の形態を制御して１１０〜１４０ｋｓｉ級の低合金油井用鋼の耐ＳＳＣ性を改善する方法が提案されている。また、特許文献９には、微細なＶ系炭化物を多量に析出させることにより、１１０〜１２５ｋｓｉ級の鋼材のＳＳＣの発生時間を遅らせる技術が提案されている。

特開昭６２−２５３７２０号公報特開昭５９−２３２２２０号公報特開平６−３２２４７８号公報特開平８−３１１５５１号公報特開平１１−３３５７３１号公報特開２０００−１７８６８２号公報特開２０００−２５６７８３号公報特開２０００−２９７３４４号公報特開２０００−１１９７９８号公報

しかしながら、これらの提案された発明に係る鋼によっても、安定的に耐ＳＳＣ性が確保できるとは言い難い。本発明の目的は、１２５ｋｓｉ級以上の高強度の油井管に用いられても優れた耐ＳＳＣ性を安定的に確保できるＳＳＣ油井管用鋼を提供することにある。

本発明者らは、高強度の油井管用鋼におけるＳＳＣの発生原因とその解消手段に関して、その転位密度及び水素拡散係数に着目して種々検討した結果、次のとおり、転位密度及び水素拡散係数が耐ＳＳＣ性と相関することを見いだした。

(a)高強度鋼において、ＳＳＣが起こりやすい原因としては、高強度になればなるほど結晶の転位密度が増加しやすくて、拡散性水素がこの転位個所に多く吸蔵されるためであると考えられる。そこで、ＳＳＣを起こりにくくするためには、高強度鋼であっても結晶の転位密度を極力低減して、転位個所を減らすことによって、トラップされる水素を低減すればよい。

(b)高強度鋼におけるＳＳＣの発生は、孔食の底等の応力集中部へ水素が集積するためでもあると考えられる。そこで、ＳＳＣを起こりにくくするためには、応力集中部への水素の集積を防止すればよく、そのためには、材料中の水素の拡散を妨げる材料設計を行えばよい。

(c)転位密度はＸ線回折法によって求められる［２１１］結晶面の半価幅(結晶格子の歪みの程度)に支配され、そして、材料中の水素の拡散は水素透過法によって求められる鋼の水素拡散係数に支配される。

(d)したがって、半価幅と水素拡散係数を所望の値に制御することができれば、耐ＳＳＣ性に優れた高強度の油井管を提供することができる。

本発明はこのような新たな知見に基づいて完成したものであって、本発明に係る高強度の油井管用鋼は、次の(1)〜(5)の通りである。以下、これらの(1)〜(5)の鋼に係る発明を総称して、本発明という。

(1)質量％で、Ｃ：０．２０〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．００５〜０．１０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．５〜１．０％、Ｔｉ：０．００２〜０．０５％、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ（酸素）：０．０１％以下を含有し、半価幅Ｈと水素拡散係数Ｄ（１０^-6ｃｍ²／ｓ）が下記の式(1)を満足することを特徴とする、低合金油井管用鋼。
３０Ｈ＋Ｄ≦１９．５・・・・・・・・・・・式(1)
(2)降伏応力が８６１ＭＰａ以上であることを特徴とする、上記(1)に記載の低合金油井管用鋼。

(3)質量％で、Ｎｂ：０．００２〜０．１％を含有することを特徴とする、上記(1)又は(2)に記載の低合金油井管用鋼。

(4)質量％で、Ｃａ：０．０００３〜０．０１％を含有することを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の低合金油井管用鋼。

(5)質量％で、Ｚｒ：０．００２〜０．１％を含有することを特徴とする、上記(1)〜(4)のいずれかに記載の低合金油井管用鋼。

本発明によれば、降伏応力（ＹＳ）が８６１ＭＰａ以上という高強度であっても、優れた耐ＳＳＣ性を有する油井管を安定的に提供することができる。

以下、本発明に係る高強度の油井管溶鋼について、詳細に説明する。

Ａ．鋼の半価幅及び水素拡散係数について
本発明に係る油井管用鋼は、半価幅及び水素拡散係数が式(1)を満足するように制御する必要があるため、まず、鋼の半価幅及び水素拡散係数を測定する方法について説明する。

表１に示す化学成分を有する鋼について、それぞれ１５０ｋｇを真空溶製し、熱間鍛造後に熱間圧延し、その後、焼入れ焼戻しを行って、板状の鋼材とした。

この際、表２に示すとおり、総加工度（％）および熱延仕上温度（℃）を、種々に変化させた。ここで、総加工度（％）とは、｛（加工前の板状の鋼材の断面積）−（最終加工後の断面積）／（溶製直後の板状の鋼材の断面積）｝×１００で表される値をいう。

焼入れ焼戻しは、鋼材の強度（ＹＳ）を１２５ｋｓｉ級の上限近傍に調整するためのものであり、表２に示すとおりの強度を有していた。焼入れは種々の温度で30分保持後水冷により、そして、焼戻しは種々の温度で1時間保持後放冷により、それぞれ行った。

この鋼材から、１×１０×１０ｍｍ³の寸法の試験片を採取し、１２００番エメリー紙で研磨後、微量のふっ酸を添加した常温の過酸化水素中に浸漬し、表面の加工硬化層を除去した後、Ｘ線回折実験を行い、［２１１］結晶面のピークの半価幅を測定した。

また、この鋼材から平行部径６ｍｍ、平行部長さ４０ｍｍの丸棒引張試験片を圧延方向に採取し、常温で引張試験を行い、ＹＳの測定値により、試験片の強度を求めた。

耐ＳＳＣ性の評価は、定荷重試験およびＤＣＢ試験の２種類の方法によって行った。その結果を表２に示す。

まず、定荷重試験による評価であり、鋼材から平行部径６．３５ｍｍ、平行部長さ２５．４ｍｍの丸棒引張試験片を圧延方向に採取し、NACE(National Association of Corrosion Engineers) TM 0177 A法に従った。試験浴には、０．１ａｔｍの硫化水素ガス(炭酸ガスバランス)を飽和させた常温の５質量％食塩＋０．５質量％酢酸水溶液(以下、「Ａ浴」という。)と、１ａｔｍの硫化水素ガスを飽和させた常温の５質量％食塩＋０．５質量％酢酸水溶液(以下、「Ｂ浴」という。)の２種類を用いた。表２に示されるＹＳ値の９０％の応力を負荷し、７２０時間破断しなかった試材を、耐ＳＳＣ性が良好と判断した。

次に、ＤＣＢ試験による評価であり、鋼材から厚さ１０ｍｍ、幅２０ｍｍ、長さ１００ｍｍのDCB(Double Cantilever Bent Beam)試験片を採取し、NACE TM 0177 D法に従った。Ａ浴およびＢ浴に３３６ｈ浸漬し、応力拡大係数K_IＳＳＣ値を測定した。その結果の測定値を表２に示す。ここで、応力拡大係数K_IＳＳＣ値が25以上であれば、耐ＳＳＣ性は良好であると判断される。

さらに、鋼材より径７０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円盤状試験片を採取し、水素透過試験により水素拡散係数を測定した。

図１に、水素透過試験装置の模式図を示す。ここで、水素を侵入させる側のセル(カソードセル１)内は、上記のＳＳＣ試験に用いた浴で満たされている。反対側のセル(アノードセル２)内は、１規定のＮａＯＨ水溶液で満たされており、試験片３は参照電極（ここでは銀塩化銀電極）に対して０Ｖに定電位保持されている。カソードセル側で発生した水素原子は、試験片を透過してアノードセル側に放出された時点で水素イオンに酸化されるが、そのときに試験片と対極６（ここでは白金対極）の間を流れる電流の値をポテンショスタット４により水素透過電流値として測定する。

図２は、水素透過試験の結果測定された水素透過電流値を示す図である。試験片が溶液に浸漬されてから、時間の経過とともに水素の透過が起こり、水素透過電流値は最終的には定常状態の値（Ｊ_ｍａｘ）に達するが、定常状態に達するまでの遷移過程(カーブの立ち上がり)から、鋼材の水素トラップ能を反映する水素拡散係数Ｄが測定される。ここでは、下式(2)に基づき、定常状態の値（Ｊ_ｍａｘ）の半値に達するまでの時間t_1/2から、水素拡散係数Ｄが算出される。
Ｄ= Ｌ² / (7.14t_1/2)・・・・・・・・・式(2)
ここで、Ｄ：水素拡散係数(cm²/s)、Ｌ：試験片の厚さ(cm)、t_1/2：水素透過電流値が定常値の半分に達するまでの時間(s)である。

表２に、水素拡散係数Ｄ（１０^-6ｃｍ²／ｓ）の算出結果を示す。表２には、上述の通り、鋼材の製造条件(総加工度、圧延仕上温度、焼入温度)、強度（ＹＳ）、半価幅Ｈ、及びＳＳＣ試験(定荷重試験、ＤＣＢ試験)の結果も併せて、記載されている。

図３は、定荷重試験の結果を整理したものであり、縦軸が半価幅Ｈ、横軸が水素拡散係数Ｄ（１０^-6ｃｍ²／ｓ）である。半価幅と水素拡散係数が共に小さくなるほど、耐ＳＳＣ性が改善されることが分かる。１２５ｋｓｉ級として十分な耐ＳＳＣ性を確保するには、半価幅Ｈと水素拡散係数Ｄ(10^-6cm²/s)の関係を下式(1)を満たすようにすれば良いことが認められた。
３０Ｈ＋Ｄ≦１９．５・・・・・・式(1)
次に、鋼の半価幅及び水素拡散係数を低減する方法について説明する。本発明に係る油井管用鋼が、式(1)を満足するような半価幅及び水素拡散係数を有するものにするためには、高強度鋼であっても、次の(i)〜(iv)に示すとおり、鋼材の製造条件（総加工度、圧延仕上温度、焼入温度）や化学成分を調整することによって得られる。

(i)図４に、表１の鋼ａについて、総加工度と半価幅の相関を調査した結果を示す。図４から分かるように、総加工度が大きすぎる場合には半価幅が大きくなる。この理由は、総加工度が大きい場合には、圧延時の加工歪みが熱処理後も残留するためであると考えられる。また、総加工度が小さすぎる場合にも半価幅が大きくなる。この理由は、総加工度が小さい場合には焼入後の組織が粗粒化するため、半価幅が大きくなることにあると考えられる。

(ii)図５に、表１の鋼ａについて、圧延仕上温度と半価幅の相関並びに圧延仕上温度と水素拡散係数の相関を調査した結果を示す。図５から分かるように、圧延仕上げ温度が高いほど、半価幅および水素拡散係数が小さい。この理由は、圧延仕上温度が高いほど、圧延終了時にＭｏやＶ等の微細炭化物形成元素が鋼中に十分に固溶し、後の熱処理時に微細炭化物として析出するためであると考えられる。

(iii)図６に、表１の鋼ａについて、焼入れ温度と半価幅並びに焼入れ温度と水素拡散係数の相関を調査した結果を示す。図６から分かるように、焼入れ温度が高いほど、半価幅および水素拡散係数ともに小さい。この理由も上記(ii)と同様に、焼入れ温度が高いほど、ＭｏやＶ等の微細炭化物形成元素が鋼中に十分固溶し、後の焼戻し時に微細炭化物として析出し易くなるためであると考えられる。

(iv)上述の表２からは、Ｖ含有量の低い鋼ｂ、Ｍｏ含有量の低い鋼ｄでは、鋼aと同様の条件で製造しても、半価幅および水素拡散係数とも大きくなり、耐ＳＳＣ性は良くないことが分かる。この理由は、微細炭化物を形成させるのに十分な量のＶ、Ｍｏが不足しているためであると考えられる。また、Ｃｒ含有量の高い鋼ｃは半価幅が小さくなっている。この理由は、Ｃｒは鋼中に固溶し転位密度を増加させるためであると考えられる。

したがって、半価幅と水素拡散係数を十分に低減するためには、質量％でＣｒを１．０％以下、Ｍｏを０．５％以上、Ｖを０．０５％以上とする必要がある。

Ｂ．鋼の化学組成について
本発明にかかる油井管用鋼の化学成分について、説明する。なお、ここで、「％」は「質量％」を表す。

Ｃ：０．２〜０．３５％
Ｃは、焼入れ性を高めて強度を向上させるのに有効な元素である。その含有量が０．２％未満では、焼入れ性が低下し十分な強度が得られない。一方、含有量が０．３５％を超えると焼き割れ性が増大するため、その上限を０．３５％とした。好ましい範囲は、０．２５〜０．３０％である。

Ｓｉ：０．０５〜０．５％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素であり、焼戻し軟化抵抗を高める効果も有する。脱酸の目的からは、０．０５％以上含有させる必要がある。一方、その含有量が０．５％を超えると、軟化相であるフェライト相の析出を促進し靭性や耐ＳＳＣ性を低下させる。従って、Ｓｉの含有量を０．０５〜０．５％とした。好ましい範囲は０．０５〜０．３％である。

Ｍｎ：０．０５〜１．０％
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を確保するのに有効な元素である。この目的からは、０．０５％以上含有させる必要がある。一方、１％を超えて含有させると、Ｐ、Ｓ等の不純物元素と共に粒界に偏析し靭性や耐ＳＳＣ性を低下させる。従って、Ｍｎの含有量を０．０５〜１％とした。望ましい範囲は０．１〜０．６％である。

Ｐ：０．０２５％以下
Ｐは粒界に偏析し、靱性や耐ＳＳＣ性を低下させる。その含有量が０．０２５％を超えるとその影響が顕著になるため、上限を０．０２５％とした。Ｐの上限は好ましくは０．０１５％である。Ｐの含有量は極力低い方が望ましい。

Ｓ：０．０１％以下
ＳもＰと同様に粒界に偏析し、靭性や耐ＳＳＣ性を低下させる。その含有量が０．０１％を超えるとその影響が顕著になるため、上限を０．０１％とした。Ｓの上限は好ましくは０．００３％である。Ｓの含有量は極力低い方が望ましい。

Ａｌ：０．００５〜０．１０％
Ａｌは鋼の脱酸に有効な元素であり、含有量が０．００５％未満だとその効果が得られない。一方、０．１０％を超えて含有させてもその効果は飽和するため、その上限を０．１０％とした。なお、本発明のＡｌ含有量とは酸可溶Ａｌ（所謂「ｓｏｌ．Ａｌ」）を指す。

Ｃｒ：０．１〜１．０％
Ｃｒは，鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素であり、この効果を得るためには０．１％以上含有させる必要がある。しかし、その含有量が１．０％を超えると鋼の転位密度を増加させ、耐ＳＳＣを低下させる。このため、Ｃｒの含有量を０．１〜１．０％とした。望ましい範囲は０．１〜０．６％である。

Ｍｏ：０．５〜１．０％
Ｍｏは本発明鋼において重要な元素であり、鋼の焼入れ性を高めると共に、焼戻し時に微細炭化物を形成し、半価幅および水素拡散係数を低減させ、耐ＳＳＣ性を向上させる。この効果を得るためには、０．５％以上含有させる必要がある。一方で、１．０％を超えて含有させてもその効果は飽和するため、その上限を１．０％とした。望ましい範囲は０．６〜０．８％である。

Ｔｉ：０．００２〜０．０５％
Ｔｉは鋼中の不純物であるＮを窒化物として固定する効果がある。Ｎ固定に必要とするよりも過剰なＴｉは、炭化物となって微細に析出し、ピニング効果により細粒化に有効に働く。また、Ｎ固定は焼入れ性向上のため添加するＢがＢＮとなるのを抑制し、Ｂを固溶状態に維持して十分な焼入れ性を確保するために必要である。この効果を得るためには、０．００２％以上含有させる必要がある。一方、０．０５％を超えて含有させてもこの効果は飽和し、靭性が低下するため、その上限を０．０５％とした。望ましい含有量は０．００５〜０．０３％である。さらに望ましい含有量は０．０１〜０．０２％である。

Ｖ：０．０５〜０．３％
Ｖは本発明鋼に於いて重要な元素であり、Ｍｏと同様に焼戻し時に微細な炭化物として析出し、高温焼戻しによる半価幅低減と、水素拡散係数の低減に有効である。この効果を得るためには、０．０５％以上含有させる必要がある。一方、０．３％を超えて含有させてもその効果は飽和するため、その上限を０．３％とした。好ましい範囲は０．０５〜０．２０％である。

Ｂ：０．０００１〜０．００５％
Ｂは微量で鋼の焼入れ性を向上させる作用を有する。その含有量が０．０００１％未満ではその効果が十分でない。一方、０．００５％を超えて含有させてもその効果は飽和し、かつ粒界に粗大炭化物であるＣｒ_２３（Ｃ、Ｂ）_６を生成し、耐ＳＳＣ性を低下させる。このため、上限を０．００５％とした。望ましい範囲は０．０００２〜０．００２％である。

Ｎ：０．０１％以下
Ｎは不純物として鋼中に存在し、粒界に偏析して耐ＳＳＣ性を低下させる。また、ＴｉやＺｒを添加する場合には、ＴｉＮやＺｒＮを形成する。Ｎの含有量が０．０１％を超えると、ＴｉやＺｒで固定しきれないＮがＢＮとして析出するので、Ｂも焼入れ性向上効果が十分得られず、耐ＳＳＣ性や靭性が低下する。従って、その上限を０．０１％とした。Ｎの上限は好ましくは０．００７％である。Ｎの含有量は極力低い方が望ましい。

Ｏ（酸素）：０．０１％以下
Ｏ（酸素）もＮと同様に不純物として鋼中に存在し、その含有量が０．０１％を超えると粗大な酸化物を形成して靭性や耐ＳＳＣ性を低下させる。従って、その上限を０．０１％とした。Ｏ（酸素）の上限は好ましくは０．００５％である。Ｏ（酸素）の含有量は極力低い方が望ましい。

本発明に係る油井管用鋼は、上記の成分を有する鋼であれば良く、他の成分については特に制限されない。残部はＦｅのほかに、他の成分を含んでも良い。他の成分としては、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇを含む鋼が好ましい。

Ｎｂ：０．００２〜０．１％以下
Ｎｂは任意添加元素である。添加すれば未固溶の炭化物として存在し、ピニング効果により細粒化に有効である。この効果を得るためには、０．００２％以上含有させる必要がある。一方、０．１％を超えて含有させてもその効果は飽和し、Ｎｂ炭化物が過剰に生成し靭性が低下するため、その上限を０．１％とした。望ましい範囲は０．００５〜０．０３％である。

Ｚｒ：０．００２〜０．１％
Ｚｒは任意添加元素である。添加すればＴｉと同様に鋼中の不純物であるＮを窒化物として固定する効果がある。Ｎ固定に必要とするよりも過剰なＺｒは、炭化物となって微細に析出し、組織の細粒化に有効に働く。また、Ｎ固定は焼入れ性向上のため添加するＢがＢＮとなるのを抑制し、Ｂを固溶状態に維持して十分な焼入れ性を確保する。この効果を得るためには、０．００２％以上含有させる必要がある。一方、０．１％を超えて含有させてもこの効果は飽和し、靭性が低下するため、その上限を０．１％とした。望ましい含有量は０．００５〜０．０６％である。さらに、望ましい含有量は０．０１〜０．０４％である。

Ｃａ：０．０００１〜０．０１％
Ｃａは任意添加元素である。添加すれば鋼中のＳと結合して硫化物を形成し、介在物の形状を改善して耐ＳＳＣ性を改善させる。この効果を得るためには、０．０００１％以上含有させる必要がある。一方、０．０１％を超えて含有させてもその効果は飽和し、かつ粗大なＣａ系介在物が生成し靭性や耐ＳＳＣ性が低下することから、その上限を０．０１％とした。望ましい範囲は０．０００３〜０．００３％である。

Ｍｇ：０．０００１〜０．０１％
Ｍｇは任意添加元素である。添加すればＣａと同様に鋼中のＳと結合して硫化物を形成し、介在物の形状を改善して耐ＳＳＣ性を改善させる。この効果を得るためには、０．０００１％以上含有させる必要がある。一方、０．０１％を超えて含有させてもその効果は飽和し、かつ粗大なＭｇ系介在物が生成し靭性や耐ＳＳＣ性が低下することから、その上限を０．０１％とした。望ましい範囲は０．０００３〜０．００３％である。

表３に示す化学組成の鋼を溶製し、外径２２５〜３１０ｍｍのビレットとした。これらのビレットを１２５０℃に加熱した後、マンネスマン−マンドレル製管法にて、種々の寸法の継目無鋼管に成形した。その際、成形の際の総加工度（％）および最終圧延の仕上温度（℃）を種々に変化させた。その後、種々の温度での３０分保持後水冷による焼入処理と種々の温度での３０分保持後放冷の焼戻し処理により強度を調整した。

このようにして得られた継目無鋼管から１×１０×１０ｍｍ³の寸法の試験片を採取し、１２００番エメリー紙で研磨後、微量のふっ酸を添加した常温の過酸化水素中に浸漬し、表面の加工硬化層を除去した後、Ｘ線回折実験を行い、［２１１］結晶面のピークの半価幅を測定した。

また、平行部径６ｍｍ、平行部長さ４０ｍｍの丸棒引張試験片を圧延方向に採取し、常温で引張試験を行い、ＹＳの測定値により、試験片の強度を求めた。

耐ＳＳＣ性の評価は、定荷重試験およびＤＣＢ試験の２種類の方法により、前述したとおりの方法により行った。

さらに、径１２〜２０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円盤状試験片を採取し、水素透過試験により水素拡散係数を測定した。

表４に、鋼の製造条件、ＹＳ、半価幅、水素拡散係数およびＳＳＣ試験の結果を示す。

試験番号１〜１８は、９６５ＭＰａ（１２５ｋｓｉ級の上限）の近傍のＹＳ値に調整された強度を有する試験片である。Ａ浴でＳＳＣ試験（定荷重試験、ＤＣＢ試験）を行い評価した。これらの試験片はいずれも半価幅Ｈと水素拡散係数Ｄ(１０^-6ｃｍ²／ｓ)は、前述の式(1)規定を満足する。そして、定荷重試験では破断なく、またＤＣＢ試験で測定されたK_IＳＳＣ値が２５以上であり、耐ＳＳＣ性は良好であった。

これに対して、試験番号１９は総加工度が大きく、試験番号２０は圧延仕上げ温度が低く、試験番号２１は焼入れ温度が低い。そのため、いずれも半価幅・水素拡散係数が大きくなり、耐ＳＳＣ性は良くなかった。試験番号２２はＣｒが１．０％超、試験番号２３はＭｏが０．５％未満、試験番号２４はＶが０．０５％未満である。そのため、いずれも半価幅・水素拡散係数が大きくなり、耐ＳＳＣ性は良くなかった。

また、試験番号２５〜２８は、鋼Ａ〜Ｄを用いてＹＳを８６１ＭＰａ（１１０ｋｓｉ級の上限）の近傍のＹＳ値に調整された強度を有する試験片である。これらの試験片も試験番号１〜１８と同様に、定荷重試験では破断なく、またＤＣＢ試験で測定されたK_IＳＳＣ値が２５以上であり、耐ＳＳＣ性は良好であった。

このように、本発明鋼は、試験番号１〜１８のように１２５ｋｓｉ級における耐ＳＳＣ性が良好であるだけでなく、試験番号２１〜２８のように１１０ｋｓｉ級における耐ＳＳＣ性も良好であることが分かる。

水素透過試験装置の模式図を示す。水素透過試験の結果測定された水素透過電流値を示す図である。図３は、定荷重試験の結果を整理したものであり、縦軸が半価幅Ｈ、横軸が水素拡散係数Ｄ（１０^-6ｃｍ²／ｓ）である。表１の鋼ａについて、総加工度と半価幅の相関を調査した結果を示す。表１の鋼ａについて、圧延仕上温度と半価幅の相関並びに圧延仕上温度と水素拡散係数の相関を調査した結果を示す。表１の鋼ａについて、焼入れ温度と半価幅並びに焼入れ温度と水素拡散係数の相関を調査した結果を示す。

符号の説明

１カソードセル
２アノードセル
３試験片
４ポテンショスタット
５参照電極
６対極

Claims

質量％で、Ｃ：０．２〜０．３５％、Ｓｉ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．００５〜０．１０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：０．５〜１．０％、Ｔｉ：０．００２〜０．０５％、Ｖ：０．０５〜０．３％、Ｂ：０．０００１〜０．００５％、Ｎ：０．０１％以下、Ｏ（酸素）：０．０１％以下を含有し、半価幅Ｈと水素拡散係数Ｄ（１０^−６ｃｍ^２／ｓ）が下記の式(1)を満足することを特徴とする、低合金油井管用鋼。
３０Ｈ＋Ｄ≦１９．５・・・・・・・・・・・式(1)
降伏応力が８６１ＭＰａ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の低合金油井管用鋼。
質量％で、Ｎｂ：０．００２〜０．１％を含有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の低合金油井管用鋼。
質量％で、Ｃａ：０．０００１〜０．０１％を含有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれかに記載の低合金油井管用鋼。
質量％で、Ｚｒ：０．００２〜０．１％を含有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれかに記載の低合金油井管用鋼。